俄羅斯某天然氣管道環(huán)焊接頭失效原因分析

李嘉良 編譯

（中移系統(tǒng)集成有限公司， 成都 610041）

管道運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種失效， 都會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)破壞。 管道成功安裝和使用源自對(duì)管道的運(yùn)行狀態(tài)、 管體和焊接接頭損傷累積過程以及斷裂機(jī)理的研究。 俄羅斯奧倫堡凝析油氣藏輸送管道采用17G1S 鋼， 輸氣工作壓力5.5 MPa， 管道直徑1 020 mm， 壁厚14 mm。 該環(huán)焊接頭失效前， 管道服役33 年， 運(yùn)行中未發(fā)現(xiàn)故障。 該管道曾進(jìn)行了局部的無(wú)損檢測(cè)， 焊接接頭失效發(fā)生在未檢查的區(qū)域， 且造成管道的泄壓。本研究分析了該天然氣管道焊接接頭失效的原因，以期對(duì)油氣管道環(huán)焊縫失效分析提供參考和借鑒。

1 研究方法

本研究對(duì)17G1S 鋼管道的環(huán)焊接頭和母材金屬進(jìn)行了分析。 采用初始參數(shù)法分析了焊接接頭斷裂截面區(qū)域的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。 該方法基于通用的梁彎曲撓度公式的應(yīng)用， 允許在不需要求解復(fù)雜方程組的情況下確定橫截面撓度和角撓度。 使用尼康Epiphot 200 光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭和斷裂區(qū)的金屬進(jìn)行金相分析； 借助PMI-MASTER 13L0059 光譜儀對(duì)金屬的化學(xué)成分進(jìn)行光譜分析； 根據(jù)GOST 1497-84 和GOST 10446-80 標(biāo)準(zhǔn)， 使用MTS 65/G試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行金屬的拉伸試驗(yàn)； 根據(jù)GOST 9013-59，借助TK-2M 裝置測(cè)量金屬洛氏硬度； 根據(jù)RD 50-672-88 斷裂形貌分類以及斷口圖譜參考數(shù)據(jù)， 對(duì)損傷和斷裂的機(jī)理進(jìn)行了研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 受力分析

測(cè)試結(jié)果表明， 鋼管壁厚為13.0～14.6 mm，在斷裂焊接接頭區(qū)域的內(nèi)外表面上未檢測(cè)到腐蝕損傷。 泄漏區(qū)域宏觀形貌如圖1 所示。 管道的總周長(zhǎng)為3 202 mm， 裂紋長(zhǎng)度為1 890 mm。 裂紋在焊縫上擴(kuò)展了1 460 mm， 在基體金屬上擴(kuò)展了430 mm。 裂紋的最大張開量為33 mm， 裂紋位于5 點(diǎn)鐘至6 點(diǎn)鐘的位置， 如圖1 （a） 所示。由于鋼管安裝彎曲應(yīng)力的松弛以及管道區(qū)域相對(duì)于切口的不對(duì)稱位置， 當(dāng)從泄漏處把管道切斷后， 管道兩部分的軸線不重合， 如圖1 （b） 所示。 當(dāng)泄漏焊接接頭被切斷后， 管道區(qū)域的變形如圖2 所示。

圖1 管道泄漏區(qū)域宏觀形貌

圖2 鋼管截面上彎矩M 導(dǎo)致的變形示意圖

由彎矩M 引起的位移為

式中： E——鋼管的彈性模量， 為2.1×105MPa；

J——鋼管橫截面的軸向慣性矩；

δ7、 δ4——分別是從焊接接頭切開處到土壤約束處距離7 m 以及4 m 處兩段管道軸線的位移， m。

公式（1） 減去公式（2）， 得到

由彎矩M 產(chǎn)生的最大應(yīng)力σb為

式中： ymax——從中性線到截面最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離， 為管子外徑De的一半， De=1.02 m。

將公式（3） 代入公式（4） 得到

式中： δ——管道切割開后兩根管子邊緣的距離， δ=0.05 m。

由管道內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力為

式中： p——管道的設(shè)計(jì)壓力， p=5.5 MPa；

t——鋼管壁厚， t=14.0 mm。

由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向壓力為

由溫度變化（ΔTα=10 ℃） 產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為

式中： α——管道線膨脹系數(shù)， α=0.000 012 deg-1。

總的軸向應(yīng)力為

該管道采用17G1S 鋼 （GOST 19281）， 鋼管抗拉強(qiáng)度為510 MPa， 屈服強(qiáng)度為355 MPa。 根據(jù)SP 34-116-96 《油氣管道設(shè)計(jì)、 安裝和改建指南》， 管道許用公稱壓力R 按下面的公式選取

式中： Run——鋼管材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度， MPa；

Ryn——鋼管材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度， MPa；

γc——管道運(yùn)行條件的允許系數(shù)， γc=0.75；

γr——與設(shè)計(jì)相關(guān)的可靠性系數(shù)， γr=1；

γm——與材料相關(guān)的可靠系數(shù)。

管道軸向應(yīng)力不應(yīng)超過許用應(yīng)力285 MPa和鋼管屈服強(qiáng)度355 MPa， 實(shí)際計(jì)算的管道軸向應(yīng)力為408 MPa， 已超過這兩個(gè)值。

2.2 斷口形貌及斷裂機(jī)理分析

對(duì)環(huán)焊接頭失效斷口表面的研究表明， 斷裂機(jī)制是以脆性斷裂的形式在相鄰的小區(qū)域內(nèi)發(fā)生準(zhǔn)分離， 這些小區(qū)域匯聚成一個(gè)具有一定塑性變形的單一斷裂面 （如圖3 所示， 箭頭指向人字形斷裂區(qū)域）。 脆性斷裂的特征， 如脊?fàn)钆_(tái)階、 分裂、 甚至 “舌頭”， 是準(zhǔn)分離的典型特征。 在半脆性斷裂中， 斷裂面上是以 “羽毛” 形狀出現(xiàn)的微觀痕跡和類似的宏觀人字形區(qū)域 （圖3）， 這種扇形痕跡的尖端指向斷裂的起始處。

圖3 焊接接頭5 點(diǎn)鐘至8 點(diǎn)鐘位置的斷口形貌（長(zhǎng)標(biāo)記間的刻度分度值為10 mm）

在焊接接頭斷口7 點(diǎn)鐘位置， 觀察到一個(gè)光滑的曲面區(qū)域， 最長(zhǎng)可達(dá)100 mm， 該區(qū)域管壁厚度與焊縫根部區(qū)域相當(dāng)。 在該區(qū)域還檢測(cè)到11 mm×3 mm 的非金屬夾雜物。 斷口的曲面與管道軸線形成35 °～45°角的斜面形狀。

焊接接頭主要斷裂源位于環(huán)向5 點(diǎn)鐘至6 點(diǎn)鐘的區(qū)域， 這是缺陷的位置， 即焊縫根部的未熔合區(qū)域， 深度為6.6 mm， 長(zhǎng)度＞150 mm。

根據(jù)光譜分析結(jié)果， 焊接接頭的鑄態(tài)金屬的化學(xué)成分為10G 級(jí)， 基體金屬的含量與標(biāo)準(zhǔn)GOST 19281 的17G1S 鋼級(jí)相匹配。 鋼管母材硬度為174HB～198HB， 焊縫硬度為166HB～181HB。

根據(jù)拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)， 環(huán)焊接頭屈服強(qiáng)度σy≥400 MPa， 抗拉強(qiáng)度σr≥557 MPa。 這些值超過了GOST 19281 標(biāo)準(zhǔn)17G1S 鋼的最小允許值（σy=355 MPa 和σr=510 MPa）。 焊縫金屬的塑性降低 （分別為δ=17%和ψ=46%） 可以通過焊接缺陷來(lái)解釋。 對(duì)環(huán)焊接頭金屬的拉伸試驗(yàn)結(jié)果的分析表明， 金屬的強(qiáng)度特性提供了焊接接頭的靜態(tài)強(qiáng)度。

根據(jù)焊接接頭未斷裂金屬的金相研究結(jié)果，焊縫根部有未熔合缺陷， 這些缺陷會(huì)變成微裂紋源 （如圖4 和圖5 所示）。 從出現(xiàn)微裂紋開始，裂紋的發(fā)展階段可能達(dá)到結(jié)構(gòu)極限的90%。

圖4 焊縫根部形成微裂紋的缺陷

圖5 焊縫根部的表面缺陷及其發(fā)展成的微裂紋

在管道長(zhǎng)期運(yùn)行的33 年中， 由于閥門啟動(dòng)時(shí)的壓力變化、 閥門的打開和關(guān)閉以及氣體溫度的變化， 靜態(tài)載荷（氣體的工作壓力、 殘余和安裝應(yīng)力） 的變化不可忽略， 但本質(zhì)上是復(fù)雜循環(huán)的可變載荷的變化。

環(huán)焊接頭在復(fù)合應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)下服役， 除工作壓力外， 還受到焊接和安裝殘余應(yīng)力以及多周期可變載荷的影響， 這些應(yīng)力集中（焊接接頭缺陷） 引起了裂紋形核 （如圖5 所示）， 這些微裂紋增長(zhǎng)合并發(fā)展成焊接接頭失效的大裂紋。

3 結(jié)束語(yǔ)

該天然氣管道泄壓失效的主要原因是環(huán)焊接頭在復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)下的疲勞擴(kuò)展， 這種狀態(tài)涉及可變載荷的長(zhǎng)期作用。 因此， 微裂紋在應(yīng)力集中區(qū)（焊接接頭缺陷） 形核， 隨后發(fā)展為宏觀裂紋， 最終導(dǎo)致焊接接頭失效。 通過對(duì)管道環(huán)焊接頭斷裂原因的分析， 提出提高管道焊接接頭可靠性的措施： ①避免管道基體金屬和焊接接頭存在缺陷； ②通過熱處理降低焊接殘余應(yīng)力，避免出現(xiàn)安裝應(yīng)力； ③提高可變載荷的裕量。